水果双线作业采摘机器人

技术领域

本发明涉及农业机器人技术领域，尤其涉及一种水果双线作业采摘机器人。

背景技术

随着我国经济社会的发展，农业生产不断向规模化、集约化、精准化转变，对自动化、智能化农业机械装备的需求越来越大。由于水果采摘作业的复杂性，我国水果采摘目前仍依靠人工作业为主，既耗时费力又作业效率不高，还存在一定的危险性。因此，研发一种水果智能化采摘机器人，实现水果自动化采摘变得越来越迫切，具有重要的意义。

发明内容

本发明提供一种水果双线作业采摘机器人，用以解决现有技术中人工采摘水果既耗时费力，作业效率又不高的问题，实现水果的自动化采摘。

本发明提供一种水果双线作业采摘机器人，包括：移动平台和采摘装置；

所述采摘装置包括旋转基座、机械臂、真空吸气组件和末端执行器，所述旋转基座的固定端设于所述移动平台，所述机械臂的首端和所述真空吸气组件均设于所述旋转基座的活动端，所述末端执行器设于所述机械臂的末端；所述真空吸气组件与所述末端执行器连通，在所述真空吸气组件提供的吸力的作用下，水果依次通过所述末端执行器和所述真空吸气组件以完成采摘。

根据本发明提供的一种水果双线作业采摘机器人，所述真空吸气组件包括真空泵和三通管道；所述真空泵的吸气端与所述三通管道的第一端连通，所述三通管道的第二端与所述末端执行器连通，所述三通管道的第三端用于输出水果。

根据本发明提供的一种水果双线作业采摘机器人，所述真空泵的吸气端通过进风管与所述三通管道的第一端连通，所述进风管内设有滤网。

根据本发明提供的一种水果双线作业采摘机器人，所述末端执行器包括吸管，所述吸管的一端形成有吸口，所述吸管的另一端与所述三通管道的第二端连通。

根据本发明提供的一种水果双线作业采摘机器人，所述末端执行器还包括吹风机和多根吹风管，多根所述吹风管沿所述吸管的周向布设，所述吹风机的出风端与所述吹风管一一连通。

根据本发明提供的一种水果双线作业采摘机器人，在所述水果双线作业采摘机器人包括两个所述采摘装置的情况下，两个所述采摘装置呈高低搭配形式布设。

根据本发明提供的一种水果双线作业采摘机器人，所述水果双线作业采摘机器人还包括设于所述移动平台的升降装置，两个所述采摘装置中的任一个设于所述升降装置。

根据本发明提供的一种水果双线作业采摘机器人，所述采摘装置还包括采摘装置控制系统、视觉检测系统和视觉定位识别系统；

所述采摘装置控制系统用于根据所述视觉定位识别系统获取的果实空间位置信息和所述视觉检测系统获取的果实位置信息，控制所述旋转基座、所述机械臂、所述真空吸气组件和所述末端执行器的相应动作。

根据本发明提供的一种水果双线作业采摘机器人，所述水果双线作业采摘机器人还包括监控通信装置，所述监控通信装置用于获取所述移动平台的位置信息和环境信息。

根据本发明提供的一种水果双线作业采摘机器人，所述水果双线作业采摘机器人还包括果实存放装置，所述果实存放装置设有用于感知所述果实存放装置内果实填充量的传感器。

本发明提供的水果双线作业采摘机器人，通过机械臂的多维运动带动末端执行器运动至指定位置，在真空吸气组件提供的吸力的作用下，水果依次通过末端执行器和真空吸气组件以完成采摘。采用真空吸气组件和机械臂结合方式作为采摘装置，以非接触式采摘水果，减少水果采摘损伤。本发明的水果双线作业采摘机器人，设计合理、操作简单、工作稳定，可有效提高采摘效率，减少采摘时间，降低人工成本，可以广泛推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的水果双线作业采摘机器人的前视图；

图2是本发明提供的水果双线作业采摘机器人的左视图；

图3是本发明提供的采摘装置的结构示意图；

图4是本发明提供的真空吸气装置的结构示意图；

图5是本发明提供的末端执行器的结构示意图之一；

图6是本发明提供的末端执行器的结构示意图之二；

图7是本发明提供的中控系统电路连接示意图；

图8是本发明提供的采摘装置控制系统电路连接示意图；

附图标记：

1：移动平台； 2：第一采摘装置； 3：第二采摘装置；

4：果实存放装置； 5：中控系统； 6：升降装置；

7：前置摄像机； 8：GPS模块； 9：警示灯；

10：视觉检测系统； 11：蓄电池装置； 12：动力连接装置；

13：真空吸气组件； 14：旋转基座； 15：电机驱动器；

16：伺服电机； 17：大臂； 18：中臂；

19：小臂； 20：采集传输管； 21：R轴；

22：U轴； 23：F轴； 24：Z轴；

29：真空泵； 30：进风管； 31：滤网；

32：三通管道； 33：右上侧管道； 34：密闭开关；

35：果实输送管； 36：吸口； 37：光电传感器；

38：固定架； 39：TOF深度相机； 40：上吹风管；

41：下吹风管； 42：出风管； 43：吹风机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

当前，我国水果生产正由传统生产模式向现代生产模式转变，新栽培技术、农艺技术、管理技术得到大量应用。尤其是在苹果种植方面，“篱笆墙栽培模式”的应用，使得苹果种植更有利于农业机械化、智慧化、智能化方向发展。但也引出来了新问题，针对3至4米高“苹果墙”的水果采摘，现有的水果采摘机器人大多采用的单线作业以及接触式采摘方式，这种采摘方式存在单次作业时间长、高低无法搭配、作业效率低的问题。

为了解决上述问题，下面结合图1至图8描述本发明的水果双线作业采摘机器人。

如图1和图2所示，本发明实施例的水果双线作业采摘机器人，包括：移动平台1和采摘装置。

采摘装置的数量根据具体采摘的水果的类型和水果的种植方式等参数来确定，在此不作具体限定。

以下以该水果双线作业采摘机器人用于采摘苹果且采用双线作业模式为例进行说明。采用高低搭配的双线作业模式大幅提升了采摘作业效率。

在水果双线作业采摘机器人包括两个采摘装置的情况下，两个采摘装置呈高低搭配形式布设。两个采摘装置分别命名为第一采摘装置2和第二采摘装置3。

为了实现第一采摘装置2和第二采摘装置3的高低搭配，水果双线作业采摘机器人还包括设于移动平台1的升降装置6，第二采摘装置3设于升降装置6，也就是说。通过升降装置6驱动第二采摘装置3远离或者朝向移动平台1运动。

升降装置6为液压式的升降装置6，其包括升降平台支撑臂、升降平台、起重臂、液压工作站和升降机操作系统；液压工作站设置于移动平台1上；升降机操作系统设置于液压工作站内；起重臂设置于液压工作站上，与液压工作站连接，用于控制升降平台支撑臂上升或降落；升降平台支撑臂固定于液压工作站上，与起重臂连接；升降平台设置于升降平台支撑臂上。其中，第二采摘装置3设于升降平台上。

第一采摘装置2和第二采摘装置3的结构相同，布设位置不同。以下对第一采摘装置2的结构进行具体说明。如图3所示，第一采摘装置2包括旋转基座14、机械臂、真空吸气组件13和末端执行器，旋转基座14的固定端设于移动平台1，机械臂的首端和真空吸气组件13均设于旋转基座14的活动端，末端执行器设于机械臂的末端。

在可选的实施例中，机械臂包括大臂17、中臂18、小臂19、R轴21、U轴22、F轴23以及Z轴24；R轴21、U轴22、F轴23以及Z轴24均设置有小型伺服电机，用于驱动机械臂运动。

电机驱动器15和伺服电机16均设置于旋转基座上，用于驱动旋转基座运动，以实现机械臂的旋转运动。

真空吸气组件13与末端执行器连通，在真空吸气组件提供的吸力的作用下，水果依次通过末端执行器和真空吸气组件13以完成采摘。

需要说明的是，移动平台1可以设有动力连接装置12，例如，动力连接装置12焊接在移动平台1的最右端，用以与拖拉机等动力装置连接，从而实现移动平台1的移动。

在本发明实施例中，通过机械臂的多维运动带动末端执行器运动至指定位置，在真空吸气组件提供的吸力的作用下，水果依次通过末端执行器和真空吸气组件13以完成采摘。采用真空吸气组件13和机械臂结合方式作为采摘装置，以非接触式采摘水果，减少水果采摘损伤。本发明实施例的水果双线作业采摘机器人，设计合理、操作简单、工作稳定，可有效提高采摘效率，减少采摘时间，降低人工成本，可以广泛推广使用。

在上述实施例的基础上，如图4所示，真空吸气组件13包括真空泵29和三通管道32；真空泵29的吸气端与三通管道32的第一端连通，三通管道32的第二端与末端执行器连通，三通管道的第三端用于输出水果。

需要说明的是，真空吸气组件13还包括壳体，排风口设置在壳体上，排风口与真空泵29的出气端之间用排风管连接。真空泵29设置于壳体内部，真空泵为电压24V，最大功率320W，最大空气流量10.0m

真空泵29的吸气端通过进风管30与三通管道32的第一端连通，进风管30内设有滤网31，以防止叶片、果梗、杂质等进入；果实输送管35与三通管道32的第三端用密封材料连通，三通管道32的第二端通过采集传输管20与末端执行器连通，也就是说，右上侧管道33通过采集传输管20与末端执行器连通；三通管道32的第三端设有密闭开关34。

在上述实施例的基础上，如图5和图6所示，末端执行器包括吸管，吸管的一端形成有吸口36，吸管的另一端通过采集传输管20与三通管道32的第二端连通。其中，吸口由柔性塑料组成，覆盖在吸管口周围。

需要说明的是，吸管可以为塑料管。光电传感器37为投射型光电传感器，光电传感器37包括光电发射器和光电接收器，分别设置于吸口的左右端，用于判断果实是否被吸入末端执行器中。

在可选的实施例中，末端执行器还包括吹风机43和多根吹风管，多根吹风管沿吸管的周向布设，吹风机43的出风端与吹风管一一连通。

需要说明的是，以下吹风管的数量为两根为例进行说明。吹风管包括上吹风管40和下吹风管41，上吹风管40设置于吸管上方，下吹风管41设置于出风管下方，用于吹开待采摘的果实周围的叶片。上吹风管40的进风端和下吹风管41的进风端均与出风管42的一端连通，吹风机43固定于吸管左侧，与出风管42的另一端连通。

在上述实施例的基础上，如图8所示，采摘装置还包括采摘装置控制系统、视觉检测系统10和视觉定位识别系统；

采摘装置控制系统用于根据视觉定位识别系统获取的果实空间位置信息和视觉检测系统获取的果实位置信息，控制旋转基座14、机械臂、真空吸气组件13和末端执行器的相应动作。

需要说明的是，采摘装置控制系统包括真空吸气控制电路板、机械臂控制电路板和控制通讯电路板，控制通讯电路板用数据线与真空吸气控制电路板、机械臂控制电路板、视觉检测系统10和视觉定位识别系统连接；机械臂控制电路板用数据线与电机驱动器15、伺服电机16连接。其中，用于驱动机械臂运动的小型伺服电机与机械臂控制电路板之间用数据线连接。密闭开关34用导线与真空吸气控制电路板连接，真空吸气控制电路板与真空泵29用数据线连接。

在可选的实施例中，光电传感器与控制通讯电路板连接，从而向控制通讯电路板发送果实吸入信息。

进一步地，视觉定位识别系统包括壳体、固定架38、TOF深度相机39和视觉处理电路板；壳体设置在末端执行器右侧，并用固定架38进行固定；TOF深度相机39设置于壳体中，用于获取果实的空间位置信息；视觉处理电路板设置于壳体内，视觉处理电路板可以为Jetson TX2边缘计算开发板。视觉处理电路板具有第一接口和第二接口，用视频数据线连接第一接口和TOF深度相机39，用数据线连接第二接口与控制通讯电路板。

进一步地，视觉检测系统包括架子、多盏照明灯、捕捉摄像机和视觉处理电路板；架子固定于移动平台1上，位于机械臂后侧；四盏照明灯分别位于架子四个角，用导线与控制通讯电路板连接；捕捉摄像机设置于架子顶端；视觉处理电路板设置于架子底部，用视频传输线与捕捉摄像机连接；用数据线连接视觉处理电路板与控制通讯电路板。

在上述实施例的基础上，如图7所示，水果双线作业采摘机器人还包括中控系统5，中控系统5包括壳体、显示屏、总开关、控制器、总控制电路板、运行灯和警示灯。

壳体固定于移动平台1上，在壳体上设置有显示器、运行灯、警示灯9；总开关、控制器以及总控制电路板均设置于壳体内；用导线连接总控制电路板与总开关；总控制电路板与控制器、显示器、运行灯、警示灯之间用数据线连接；中控系统5与视觉定位识别系统、视觉检测系统、采摘装置控制系统、升降机操作系统之间用总线连接。

在上述实施例的基础上，水果双线作业采摘机器人还包括监控通信装置，监控通信装置用于获取移动平台1的位置信息和环境信息。

需要说明的是，监控通信装置包括前置摄像机7、GPS模块8、通信模块和监控通信系统；通信模块与GPS模块8、前置摄像机7之间用数据线连接；监控通信系统设置于通信模块中，与中控系统用数据线连接；通信模块用以接收和发送相关信息。

在上述实施例的基础上，水果双线作业采摘机器人还包括果实存放装置4，果实存放装置4设有用于感知果实存放装置4内果实填充量的传感器。

需要说明的是，果实存放装置包括果实存放栏、果实存放传感器；果实存放栏左右两侧分别与第一采摘装置、第二采摘装置连接，用于存放果实；果实存放栏前侧还设置有装卸开关门，用于果实装卸；果实存放传感器设置于果实存放栏两侧顶端内部，用于感知果实是否装满；果实存放传感器用总线与中控系统5连接。

在上述实施例的基础上，水果双线作业采摘机器人还包括蓄电池装置11，蓄电池装置由多个24V蓄电池组、充电口组成；充电口设置于移动平台1上，用导线与多个蓄电池组连接；蓄电池装置与中控系统、视觉定位识别系统、视觉检测系统、采摘装置控制系统、升降机操作系统之间用导线连接。

本发明实施例的水果双线作业采摘机器人的运行步骤为：

步骤一：启动中控系统5，蓄电池装置11向中控系统5、视觉定位识别系统、视觉检测系统10、采摘装置控制系统、升降机操作系统、监控通信系统供电；

步骤二：运行采摘装置控制系统，启动视觉检测系统10，用光照传感器采集当前光照信息，如果光照信息较弱，则打开照明灯，否则不打开照明灯；

步骤三：用捕捉摄像机捕捉当前位置的果实位置，如获取到果实信息，则发送果实位置信息至采摘装置控制系统，采摘装置控制系统控制机械臂靠近果实区域；

步骤四：启动视觉定位识别系统，获取果实的位置和距离信息，发送果实位置信息至采摘装置控制系统，采摘装置控制系统控制机械臂，使末端执行器接近果实，启动吹风机43吹开果实周围的叶片，启动真空吸气组件13，利用负压吸取果实；

步骤五：用光电传感器37感知果实是否被吸入，如果是则打开密闭开关34，果实通过采集传输管20、三通管道32、密闭开关34进入果实输送管35，果实传输至果实存放栏；如果光电传感器37感知果实没有被吸入，则启动视觉定位识别系统重新定位果实位置；

步骤六：果实传输至果实存放栏，启动视觉定位识别系统判断当前位置是否还存在果实，如果存在，则转至步骤四，如果不存在，则转至步骤三；

步骤七：判断果实存放栏是否存放满，如果已满，则采摘装置控制系统停止运行，启动报警装置，并用监控通信系统发送相关信息至后台。

本发明实施例提供的水果双线作业采摘机器人，在移动平台上，用第一采摘装置和第二采摘装置形成高低搭配的双线作业采摘机器人，大幅提升了采摘作业效率；设置了视觉定位识别系统和视觉检测系统，可实现水果的快速检测与定位；以真空吸气装置和机械臂结合方式作为果实采摘装置，实现了非接触式采摘水果，减少水果采摘损伤；设计合理、操作简单、工作稳定，可有效提高采摘效率，减少采摘时间，降低人工成本，可以广泛推广使用。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。